作者:王敏 来源:中国科学报 发布时间:2023/12/1 8:25:50
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手性催化剂家族再添新成员

 

从研二到博三,中国科学技术大学化学与材料科学学院王长岭和王杰写下的实验记录本,合起来有60多本。

12月1日,《科学》在线发表了这项研究成果。这也是5年来,他们以第一作者身份发表的第一篇论文。研究展示了他们开发的一类手性硼自由基催化剂,并利用其完成了不对称催化反应。

这类硼自由基催化剂的结构和功能不同于常用的过渡金属和有机小分子催化剂,是手性催化剂家族的一位新成员。

《科学》审稿人对此评价道,“一类全新的具有催化功能的手性硼自由基被开发,并利用其实现了一个新型的不对称环化异构化反应,真是太棒了。”


手性硼自由基催化剂示意图。中国科大供图

蹚出一条新路

人类的左手与右手,外形一致,它们互为镜像,但无法重合。科学家们形象地将这种特征称为手性。

而手性分子,顾名思义就是具有手性特征的分子,它与镜像之间互为对映关系,称为对映异构体。有意思的是,这一对对映异构体看似一样,但在性质和作用上有着明显的区别,其中一个可能是治愈疾病的良药,而另一个可能毫无作用,甚至是毒药。

在化学合成过程中,能不能优先得到更多,甚至100%的单一对映异构体?这是科学家们需要解决的重要科学问题。

不对称催化是合成手性分子、认识手性世界的有效方式之一。实现不对称催化的核心是开发结构易调和功能强大的手性催化剂。

在论文共同通讯作者、中国科学技术大学教授汪义丰、傅尧和副教授张凤莲的共同指导下,王长岭和王杰以及其他成员经过5年的实验与设计,制备出一类全新的手性氮杂卡宾-硼自由基催化剂,并利用其实现了一类催化过程全新的不对称环化异构化反应,为多种手性环状化合物合成提供了一种新方法。

此外,他们通过量子化学计算、电子顺磁共振光谱、氘代标记实验等多种手段,阐释了催化反应机理和立体选择性来源,为未来基于人工智能的催化剂精准设计奠定了理论基础。

汪义丰表示:“这个工作首次展现了我们所开发的手性硼自由基催化剂的强大功能,而且也将启发和推动其他主族元素自由基催化剂及其不对称催化反应的发展。”

“目前,我们对硼自由基的催化功能仅有初步认识,这类催化剂的性质和结构调控空间非常大。未来,借助人工智能,我们可以对催化剂和催化反应进行设计和优化,为手性药物等高附加值分子的合成提供更为绿色经济的方法。”傅尧告诉《中国科学报》。

一场接力赛

这项研究开始于2017年的一次意外发现:汪义丰课题组成员叶甜在研究硼自由基引发的串联反应时,发现了一个不含硼原子的副产物。

汪义丰意识到:是否可以利用硼自由基作为催化剂,实现一些非常规的化学转化?如果能进一步实现不对称合成,那将可能为不对称催化打开一扇新的大门!

他随即发出“邀请”:“谁愿意做这个有意义且有挑战性的课题?”

正在读研二的王杰主动请缨。但工作在推进半年后,卡住了。“当时,我利用设计的手性硼自由基催化剂完成了一个催化反应。但是催化剂反应产率低,而且手性控制也很差。”王杰说。

随着课题研究进入“攻坚阶段”,汪义丰建议王长岭加入进来。两人搭档后,从反应原理出发,重新设计了一个新的催化反应,手性控制效果得以大幅度提升,但反应产率还是低。

如何使催化反应兼具高对映选择性和高产率,是此次研究的最大难点。借助量子化学计算,他们模拟了反应过程,设计了新的硼自由基催化剂骨架,最终实现了高产率和优异的对映选择性控制。

2022年12月5日,他们正式向《科学》投稿。

一个半月后,一审信息返回,审稿人提出更具挑战的难题:“将所开发方法应用到生物活性分子的合成”“将分子内催化反应拓展到分子间反应”。

为解决这些问题,中国科大特任副研究员靳继康及时加入。他是汪义丰课题组最早一批学生之一,也是此次论文的共同第一作者。

三人分成两组,分别行动。王长岭利用所开发的方法实现了两个生物活性分子的合成。靳继康与王杰则查阅了大量的文献,重新设计了手性硼自由基催化的分子间反应,实现了一类手性六元环化合物的不对称合成。

这些实验结果很好地回复了审稿人的提问,再次提交的修改论文也得到审稿人的认可。今年10月25日,论文被正式接收。

静待“花”开

是什么让5年的研究,开出绚丽的科学之“花”?

王长岭与王杰两人不约而同提到了“坚守、思考、合作”。

“当我花了很长时间去设计、改造一个催化剂,认为它很有用,但实际效果并不好。长时间后,不可避免会产生疲惫的心理,认为这个工作就是很难。”王长岭坦言,有时甚至怀疑自己的能力,也曾有过放弃的念头。

王杰也有同样的感受。“有时几周甚至几个月,研究没有任何进展,对个人心态确实是一种极大地考验。”

这种情况下,他们的做法是及时与老师、师兄师姐沟通。

王长岭介绍,研究中,三位指导老师会及时跟进研究进度,定期开讨论会,结合实验和理论计算结果,规划下一阶段工作。更重要的是,他们还会留意并且关照到学生们的情绪变化,给予鼓励。

“不要担心什么都做不出来,做有挑战性的工作,就是要沉得住气、静得下心。”这是汪义丰经常对学生们说的一句话。

对待同学很随和的汪义丰,在实验方面却很“严苛”:实验室要保持干净整洁,用过的药品及时归位,避免其他成员把时间浪费在找药品上,也避免被错误使用;坚持每天做好实验记录,以便随时翻阅对比……

翻开王长岭的实验记录本,上面清晰地记录着日期、当天温度、反应次数、反应效果……5年来,这样的本子,他和王杰都写了30多本。

“做研究,一定要去不断挑战不可能的事,不要害怕失败,更不要担心毕不了业,要努力,更要坚守。” 汪义丰说,当你把一项工作做到极致,至于结果如何?能不能发文章?文章发在哪里?静待“花”开就好。

经此5年,王长岭的感受是,做科研首先要清楚认识到自己所做课题的意义,激发出内在动力,然后坚持下去。其次,思考非常重要。要认真分析每一次实验结果,即使是坏的结果,也要分析出失败的原因。

有机合成化学是一门实验性学科。但王杰认为,“不能把全部精力放在实验上,不要当一个操作工。光做不想不行,光想不做也不行,思考与实验需要并行。”

明年,王长岭、王杰即将博士毕业。对于未来的科研路,他们清晰又坚定。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.adg1322

 
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